基于GIS地圖的天氣雷達(dá)環(huán)境遮擋可視化應(yīng)用

周嘉健，黃桂燁，呂玉嫦，徐黃飛，鄒慶彪，曾慧明

（廣東省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

多普勒天氣雷達(dá)是目前對(duì)中小尺度天氣系統(tǒng)探測(cè)的重要手段之一，其探測(cè)距離遠(yuǎn)、探測(cè)結(jié)果精細(xì)和可全天候觀(guān)測(cè)等特點(diǎn)，使其在天氣預(yù)警預(yù)報(bào)和強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程監(jiān)測(cè)起重要作用［1］。目前國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者對(duì)雷達(dá)選址技術(shù)和波束遮擋分析開(kāi)展了相關(guān)研究。在國(guó)外，Gabella等［2］利用DEM數(shù)據(jù)和幾何光學(xué)原理，建立了雷達(dá)波速遮擋模擬方法；Bech等［3］結(jié)合探空資料中的氣壓和溫濕度廓線(xiàn)，計(jì)算并模擬了雷達(dá)探測(cè)波束遮擋系數(shù)。在國(guó)內(nèi)，鄧志等［4］對(duì)雷達(dá)站址四周遮擋的經(jīng)緯度、海拔高度進(jìn)行人工觀(guān)測(cè)和記錄后計(jì)算雷達(dá)單站遮擋仰角和等射束高度圖；趙瑞金等［5］采用地理信息系統(tǒng)獲取雷達(dá)遮擋數(shù)據(jù)方法，結(jié)合選址分析軟件，提高選址的工作效率；郭林輝［6］利用GlobalMapper軟件，加載數(shù)字高程模型，使用視距分析功能實(shí)現(xiàn)對(duì)選址點(diǎn)的覆蓋情況分析；伍建強(qiáng)［7］分析機(jī)場(chǎng)多普勒雷達(dá)選擇應(yīng)考慮其探測(cè)微下?lián)舯┝?、低層風(fēng)切變和陣風(fēng)鋒所能起到的作用；王蓓蕾等［8］結(jié)合暴雨過(guò)程，得出組網(wǎng)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)中雷達(dá)彼此間隔為35～45 km，基于此間距，通過(guò)綜合分析，明確廣州X波段雙偏振相控陣天氣雷達(dá)組網(wǎng)建設(shè)站址；王曙東等［9］、柳云雷等［10］利用SRTM數(shù)字高程數(shù)據(jù)對(duì)全國(guó)新一代天氣雷達(dá)開(kāi)展了地形遮擋和覆蓋能力計(jì)算和分析；吳彬等［11］基于DEM數(shù)據(jù)的多普勒天氣雷達(dá)波束遮擋率計(jì)算原理和方法，利用C#編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了雷達(dá)波束遮擋率計(jì)算與可視化仿真系統(tǒng)；戴春容等［12］利用SRTM3高分辨率的DEM對(duì)佛山市已建成的4部X波段雙偏振雷達(dá)進(jìn)行地形遮擋分析。

本研究利用SRTM高分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，計(jì)算廣東省11部SA多普勒雙偏振天氣雷達(dá)的雷達(dá)遮蔽角和等射束高度，獲取雷達(dá)遮擋情況（如探測(cè)凈空面積、方位遮擋率等參量），最后利用廣東省氣象地理信息服務(wù)平臺(tái)的GmMap API將等射束高度圖展示在GIS地圖上，更為直觀(guān)地體現(xiàn)雷達(dá)周邊環(huán)境。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

雷達(dá)四周地形遮擋計(jì)算主要依賴(lài)于雷達(dá)覆蓋區(qū)域內(nèi)地形高程資料，高程資料的準(zhǔn)確性以及雷達(dá)站的實(shí)際經(jīng)緯度、饋源海拔高度等參數(shù)均影響遮擋計(jì)算。本研究所使用的SRTM高分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（www.gscloud.cn）。該數(shù)據(jù)是目前國(guó)際上使用的主要高程數(shù)據(jù)之一，總體可靠性較高［11］。

GIS地圖是來(lái)源于廣東省氣象地理信息服務(wù)平臺(tái)的GmMap API接口，該接口目前是面向公眾服務(wù)類(lèi)網(wǎng)站，并且對(duì)調(diào)用次數(shù)沒(méi)有做限制。

2 原理與計(jì)算

2.1 技術(shù)原理

圖1為本研究的技術(shù)路線(xiàn)圖，如圖1所示，根據(jù)站點(diǎn)信息（站名、經(jīng)緯度、天線(xiàn)饋源高度和探測(cè)距離）和地形數(shù)據(jù)，通過(guò)遮蔽角（式（1）［13］）和等射束高度計(jì)算公式（式（2）［13］）獲得相應(yīng)的計(jì)算值，最后將計(jì)算結(jié)果展示在GIS地圖上。

圖1 技術(shù)路線(xiàn)流程示意圖

其中，ha是雷達(dá)天線(xiàn)高度（距海平面）的垂直距離（m）；h是障礙物高度（m）；d是障礙物與雷達(dá)的水平距離（m）。

其中，r是最大探測(cè)距離（m）；h為天線(xiàn)高度（km）；α為遮蔽角（°）；H為觀(guān)測(cè)高度（km）。根據(jù)遮蔽角α，分別設(shè)置H為1、3和6 km［4］，計(jì)算雷達(dá)最大觀(guān)測(cè)距離。

2.2 統(tǒng)計(jì)參數(shù)（方位遮擋率）

根據(jù)中國(guó)氣象局《新一代天氣雷達(dá)選址規(guī)定》提出對(duì)雷達(dá)選址工作的其中一個(gè)要求是新一代天氣雷達(dá)站址近處四周無(wú)高大建筑物、山脈、高大樹(shù)林等的遮擋，在雷達(dá)主要探測(cè)方向上（降水過(guò)程的主要來(lái)向）的遮擋物對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)的遮擋仰角不應(yīng)大于0.5°，對(duì)個(gè)別孤立障礙物可適當(dāng)降低要求。因此，本研究定義方位遮擋率為大于0.5°的方位數(shù)與所有方位數(shù)的比值。設(shè)方位分辨率為1°，則共有360個(gè)方位，令M=360，則其計(jì)算公式可表示為

其中，AOR 是方位遮擋率（Azimuth Occlusion Rate，AOR）；Ai是遮擋仰角大于0.5°的方位，∑（Num（Ai）是對(duì)360°內(nèi)出現(xiàn)遮擋仰角大于0.5°的方位個(gè)數(shù)進(jìn)行求和，Num（AM）是擬建站點(diǎn)360°內(nèi)方位總個(gè)數(shù)，與設(shè)置的方位分辨率有關(guān)。

3 可視化仿真與分析

根據(jù)圖1的計(jì)算流程，通過(guò)廣東省11臺(tái)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)的站點(diǎn)信息和從中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)獲取的SRTM高分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)計(jì)算出各站點(diǎn)的1 km高度等射束高度圖，并將該結(jié)果展示在在線(xiàn)的GIS地圖上，結(jié)果見(jiàn)圖2所示。

圖2 廣東省11臺(tái)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)1 km高度等射束拼圖

由圖2可見(jiàn)，靠近沿海的戰(zhàn)湛江、陽(yáng)江、深圳和汕頭、汕尾等多個(gè)地方的雷達(dá)4周凈空環(huán)境良好，而靠近粵北的韶關(guān)、連州和肇慶的雷達(dá)四周存在較多遮蔽，但總體而言，11臺(tái)雙偏振多普勒雷達(dá)可將廣東省全面覆蓋。

表1給出廣東省11臺(tái)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)在仰角0.5°和1.5°時(shí)的方位遮擋率，方位角度分辨率是1°，共360個(gè)方位。

表1 廣東省11臺(tái)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)的方位遮擋率統(tǒng)計(jì)表

從表1結(jié)果可見(jiàn)，隨著仰角的提高，各雷達(dá)站的方位遮擋率逐漸變小。同時(shí)個(gè)別站，如肇慶、連州和韶關(guān)，在仰角為0.5°時(shí)的方位遮擋率較高，3個(gè)站的方位遮擋率依次可達(dá)26.39%，28.06%和38.33%；而在1.5°仰角時(shí)3個(gè)站的方位遮擋率依次為1.11%、1.39%和1.11%。

為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果是否合理和正確，本研究選取了肇慶雷達(dá)站、連州雷達(dá)站和韶關(guān)雷達(dá)站各站的基數(shù)據(jù)PPI雷達(dá)圖與遮擋計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，由于隨著仰角提高，地勢(shì)地形的影響就會(huì)減少，因此選取的均是0.5°仰角時(shí)的基數(shù)據(jù)PPI雷達(dá)圖，結(jié)果如圖3所示。

由圖3a可見(jiàn)，雷達(dá)的北向、東南向和西南向3個(gè)紅圈對(duì)應(yīng)的“缺角”是由于地形的因素造成無(wú)法探測(cè)，結(jié)合圖3b可以看出，兩個(gè)圖中紅圈對(duì)應(yīng)的位置基本一致。

由圖3c可見(jiàn)，雷達(dá)的東北偏東方向、東北偏西方向、西南向和西北偏西方向的4個(gè)紅圈出現(xiàn)了“缺角”，并結(jié)合圖3d可見(jiàn)，兩個(gè)圖中紅圈對(duì)應(yīng)的位置基本一致。

由圖3e可見(jiàn)，雷達(dá)的北偏東方向、東南向、西南向和西北偏西方向的4個(gè)紅圈出現(xiàn)了“缺角”，同時(shí)結(jié)合圖3f可見(jiàn)，兩個(gè)圖中紅圈對(duì)應(yīng)的位置基本一致。

圖3 肇慶（a、b）、連州（c、d）、韶關(guān)（e、f）雷達(dá)站1 km等射束高度圖（a、c、e）和數(shù)據(jù)PPI雷達(dá)圖（b、d、f）

本研究利用高分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)（SRTM），計(jì)算廣東省11臺(tái)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)的環(huán)境遮擋情況和給出各站的方位遮擋率，并將等射束高度拼圖在GIS地圖上作可視化展示，使遮擋結(jié)果更為直觀(guān)地呈現(xiàn)出來(lái)。同時(shí)為了驗(yàn)證遮擋計(jì)算結(jié)果是否具有可用性，利用基數(shù)據(jù)雷達(dá)圖進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)0.5°仰角的方位遮擋率計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，肇慶、連州和韶關(guān)3個(gè)地方的雷達(dá)方位遮擋率較高依（次為26.39%、28.06%和38.33%），因此本研究選取肇慶、連州和韶關(guān)3個(gè)地方進(jìn)行驗(yàn)證。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各站點(diǎn)的遮擋計(jì)算結(jié)果與基數(shù)據(jù)PPI雷達(dá)圖具有較好的一致性，這說(shuō)明計(jì)算結(jié)果是有效的、可用的。